Role of the scavenger receptors CD36 and SR-B1 in adaptive thermogenesis and lipid handling

Abstract

Brown adipose tissue (BAT) is responsible for maintaining core body temperature via a process called non-shivering thermogenesis (NST). Upon cold-exposure, the peripheral sympathetic nervous system is activated, leading to the release of norepinephrine (NE) at the terminal nerve ends in BAT. Subsequently, NE binds to β3-adrenergic receptors of brown adipocytes triggering an internal signaling cascade, which ultimately leads to lipolysis of triglycerides stored in intracellular lipid droplets. The liberated fatty acids (FAs) are then imported into the mitochondria for β-oxidation to generate a proton gradient at the inner mitochondrial membrane. However, instead of producing ATP, brown adipocytes contain a protein called uncoupling protein 1 (UCP1), which uncouples the proton gradient to produce heat.

Besides using intracellular lipid stores, BAT when activated, takes up increased amounts of lipids and glucose from the circulation. Glucose is taken up by glucose transporter 1 (GLUT1) and 4 (GLUT4) and stored as lipids via a process called de novo lipogenesis (DNL). On the other hand, lipids from triglyceride-rich lipoproteins (TRLs) are taken up by BAT to replenish the depleted energy stores of activated BAT. These TRLs are very-low-density lipoproteins (VLDLs) and chylomicrons that are produced in a fasted state by the liver and by the gut in a fed state, respectively. These TRLs are then marginalized by lipoprotein lipase (LPL) which is anchored to glycosylphosphatidylinositol-anchored high density lipoprotein binding protein 1 (GPIHBP1) on the luminal side of endothelial cells. LPL hydrolyzes the triglycerides (TGs) and liberated free FAs (FFAs) are taken up by endothelial cells via the fatty acid transporter 1 (FATP1) and by the scavenger receptor cluster of differentiation 36 (CD36). In addition to FFAs, endothelial CD36 can also mediate endocytosis of entire TRL remnants that follow an intracellular endolysosomal route. After endothelial transcytosis, FFAs are taken up by brown adipocytes probably again via FATP1 and CD36. Cold exposure and subsequent sympathetic stimulation also activates lipolysis in white adipose tissue (WAT). In contrast to BAT, lipolysis resulted in the release of FFAs into the circulation that can be taken up by BAT. It was shown that inhibiting lipolysis in WAT impaired thermogenic capacity of BAT, while inhibiting lipolysis in BAT did not, underlining the importance of exogenous lipids for BAT function. Lastly, it was also shown that acyl carnitines derived from the liver can be used as a fuel for BAT thermogenesis.

Taken together, in order for BAT to function properly, lipid uptake via lipid receptors in BAT is essential for efficient thermogenesis. In line, the full-body knockout of CD36 (CD36ko) resulted in decreased uptake of lipids into different BAT depots and impaired thermogenic function. Since CD36 is expressed in many cell-types but highly expressed in brown adipocytes and endothelial cells, we aimed to elucidate the cell-type specific roles of CD36 in adaptive thermogenesis and lipid uptake. Moreover, lipid uptake in BAT is not fully ablated in CD36ko mice. Another member of the class B scavenger receptor family is scavenger receptor B1 (SR-B1). SR-B1 is mainly known for its role in reverse cholesterol metabolism where hepatic SR-B1 mediates the selective uptake of cholesteryl esters (CE) from HDL particles. In the context of atherosclerosis, it was demonstrated that endothelial SR-B1 can mediate transcytosis of LDL particles. Notably, we detected that SR-B1 is highly expressed in endothelial cells of murine BAT as well as WAT depots in mice and in humans. Based on these data, we aimed to investigate the role of SR-B1 expressed by endothelial cells in adaptive thermogenesis and lipid uptake.

The importance for CD36 in brown adipocytes was evident when mice lacking CD36 specifically in brown adipocytes (BAd-CD36ko) were cold exposed, as under these conditions they were unable to maintain their core body temperature in the fasted state. In line with the impaired BAT function, BAd-CD36ko mice had decreased uptake of lipids into BAT compared to control littermates. Gene expression analysis did not show a compensational mechanism regarding thermogenic marker expression or receptor expression. WAT of BAd-CD36ko mice showed decreased expression of thermogenic marker expression. In line with the decreased lipid uptake, the increase in lipid handling gene expression was blunted in cold-exposed BAd-CD36ko mice.

Conversely, mice with an endothelial-specific CD36 knockout (EC-CD36ko) were able to maintain their core body temperature regardless of the nutritional status. Moreover, in BAT lipid uptake was not altered in EC-CD36ko mice and thermogenic marker, receptor and lipid handling gene expression was not affected. On the other hand, EC-CD36ko mice had decreased expression of thermogenic markers in WAT. Interestingly, EC-CD36ko mice had higher levels of non-esterified FA (NEFAs) and lower glucose levels in blood, which were not observed in BAd-CD36ko mice. Hearts of EC-CD36ko mice did show higher uptake of glucose that could explain the lower blood glucose levels. Similar to EC-CD36ko mice, endothelial-specific SR-B1 knockout (EC-SR-B1ko) mice were able to maintain their core body temperature regardless of diet. Moreover, lipid and glucose uptake was unaltered in EC-SR-B1ko mice. Moreover, the expression of thermogenic markers and lipid receptors was not affected. Interestingly, endothelial SR-B1 expression contributed majorly to whole organ level SR-B1 expression of not only BAT, but also WAT, quadriceps and heart. Surprisingly, when performing a HDL turnover study, we found that EC-SR-B1ko mice had decreased uptake of CE in BAT, heart and lungs. Future studies will have to elucidate the importance of CE uptake in BAT endothelial cells mediated by SR-B1.

Overall, we show that the importance of CD36 for adaptive thermogenesis and lipid uptake is dependent on its expression by thermogenic adipocytes but not endothelial cells. Lastly, endothelial SR-B1 is dispensable for thermogenesis and lipid uptake in BAT but mediates CE uptake in BAT.

Braunes Fettgewebe (BAT) ist für die Aufrechterhaltung der Körperkerntemperatur über einen Prozess verantwortlich, der als Non-Shivering Thermogenesis (NST) bezeichnet wird. Bei Kälteeinwirkung wird das periphere sympathische Nervensystem aktiviert, was zur Freisetzung von Noradrenalin (NE) an den terminalen Nervenenden im BAT führt. Anschließend bindet NE an β3-adrenerge Rezeptoren der braunen Adipozyten, was eine interne Signalkaskade auslöst, die letztlich zur Lipolyse der in intrazellulären Lipidtröpfchen gespeicherten Triglyceride führt. Die freigesetzten Fettsäuren (FS) werden dann zur β-Oxidation in die Mitochondrien importiert, um einen Protonengradienten an der inneren Mitochondrienmembran zu erzeugen. Anstatt jedoch ATP zu produzieren, enthalten braune Adipozyten ein Protein namens Uncoupling Protein 1 (UCP1), das den Protonengradienten entkoppelt, um Wärme zu erzeugen.

Neben der Nutzung intrazellulärer Lipidspeicher nimmt die aktivierte BAT auch erhöhte Mengen an Lipiden und Glukose aus dem Blutkreislauf auf. Glukose wird von den Glukosetransportern 1 (GLUT1) und 4 (GLUT4) aufgenommen und über einen Prozess namens De-novo-Lipogenese (DNL) als Lipide gespeichert. Andererseits werden Lipide aus triglyceridreichen Lipoproteinen (TRLs) von der BAT aufgenommen, um die erschöpften Energiespeicher der aktivierten BAT wieder aufzufüllen. Diese TRLs sind Lipoproteine sehr niedriger Dichte (VLDLs) und Chylomikronen, die im nüchternen Zustand von der Leber und im gefütterten Zustand vom Darm produziert werden. Diese TRLs werden dann durch Lipoproteinlipase (LPL) marginalisiert, die an Glycosylphosphatidylinositol-verankertes High-Density-Lipoprotein-Bindungsprotein 1 (GPIHBP1) auf der luminalen Seite von Endothelzellen verankert ist. LPL hydrolysiert die Triglyceride (TG) und die freigesetzten freien Fettsäuren (FFAs) werden von Endothelzellen über den Fettsäuretransporter 1 (FATP1) und den Scavenger-Rezeptor-Cluster-Differenzierung 36 (CD36) aufgenommen. Zusätzlich zu den FFAs kann der endotheliale CD36 auch die Endozytose ganzer TRL-Reste vermitteln, die einem intrazellulären endolysosomalen Weg folgen. Nach der endothelialen Transzytose werden Fettsäuren von braunen Adipozyten aufgenommen, wahrscheinlich wieder über FATP1 und CD36. Kälteexposition und anschließende sympathische Stimulation aktivieren auch die Lipolyse im weißen Fettgewebe (WAT). Im Gegensatz zur BAT führte die Lipolyse zur Freisetzung von Fettsäuren in den Blutkreislauf, die von der BAT aufgenommen werden können. Es wurde nachgewiesen, dass die Hemmung der Lipolyse in WAT die thermogene Kapazität von BAT beeinträchtigt, während die Hemmung der Lipolyse in BAT dies nicht tat, was die Bedeutung exogener Lipide für die BAT-Funktion unterstreicht. Schließlich wurde auch nachgewiesen, dass aus der Leber stammende Acylcarnitine als Brennstoff für die BAT-Thermogenese verwendet werden können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Lipidaufnahme über Lipidrezeptoren in BAT für eine effiziente Thermogenese unerlässlich ist, damit die BAT richtig funktioniert. Dementsprechend führte die vollständige Ausschaltung von CD36 (CD36ko) im gesamten Körper zu einer verminderten Aufnahme von Lipiden in verschiedene BAT-Depots und zu einer beeinträchtigten thermogenen Funktion. Da CD36 in vielen Zelltypen exprimiert wird, jedoch in braunen Adipozyten und Endothelzellen stark exprimiert wird, wollten wir die zelltypspezifischen Rollen von CD36 bei der adaptiven Thermogenese und der Lipidaufnahme aufklären. Darüber hinaus ist die Lipidaufnahme in BAT bei CD36ko-Mäusen nicht vollständig unterbunden. Ein weiteres Mitglied der Klasse-B-Scavenger-Rezeptorfamilie ist der Scavenger-Rezeptor B1 (SR-B1). SR-B1 ist vor allem für seine Rolle im reversen Cholesterinstoffwechsel bekannt, bei dem hepatisches SR-B1 die selektive Aufnahme von Cholesterylestern (CE) aus HDL-Partikeln vermittelt. Im Zusammenhang mit Atherosklerose wurde nachgewiesen, dass endotheliales SR-B1 die Transzytose von LDL-Partikeln vermitteln kann. Insbesondere haben wir festgestellt, dass SR-B1 in Endothelzellen von BAT- und WAT-Depots bei Mäusen und Menschen stark exprimiert wird. Auf der Grundlage dieser Daten wollten wir die Rolle von SR-B1, das von Endothelzellen exprimiert wird, bei der adaptiven Thermogenese und der Lipidaufnahme untersuchen.

Die Bedeutung von CD36 in braunen Adipozyten wurde offensichtlich, als Mäuse, denen CD36 spezifisch in braunen Adipozyten fehlte (BAd-CD36ko), Kälte ausgesetzt wurden, da sie unter diesen Bedingungen nicht in der Lage waren, ihre Körperkerntemperatur im nüchternen Zustand aufrechtzuerhalten. Im Einklang mit der beeinträchtigten BAT-Funktion hatten BAd-CD36ko-Mäuse im Vergleich zu Kontrollgeschwistern eine verringerte Aufnahme von Lipiden in die BAT. Die Genexpressionsanalyse zeigte keinen Kompensationsmechanismus hinsichtlich der Expression thermogener Marker oder Rezeptoren. Das weiße Fettgewebe von BAd-CD36ko-Mäusen zeigte eine verminderte Expression thermogener Marker. Im Einklang mit der verminderten Lipidaufnahme war die Zunahme der Genexpression im Zusammenhang mit dem Lipidstoffwechsel bei BAd-CD36ko-Mäusen, die Kälte ausgesetzt waren, gedämpft.

Im Gegensatz dazu konnten Mäuse mit endothelspezifischem CD36-Knockout (EC-CD36ko) ihre Körperkerntemperatur unabhängig vom Ernährungszustand aufrechterhalten. Darüber hinaus war die BAT-Lipidaufnahme bei EC-CD36ko-Mäusen nicht verändert und die Expression von thermogenen Markern, Rezeptoren und Lipid-Handling-Genen war nicht beeinträchtigt. Andererseits wiesen EC-CD36ko-Mäuse eine verminderte Expression von thermogenen Markern in WAT auf. Interessanterweise wiesen EC-CD36ko-Mäuse höhere Werte an nicht veresterten Fettsäuren (NEFAs) und niedrigere Glukosewerte im Blut auf, was bei BAd-CD36ko-Mäusen nicht beobachtet wurde. Die Herzen von EC-CD36ko-Mäusen zeigten eine höhere Glukoseaufnahme, was die niedrigeren Blutglukosewerte erklären könnte. Ähnlich wie bei EC-CD36ko-Mäusen konnten endothelspezifische SR-B1-Knockout-Mäuse (EC-SR-B1ko) ihre Körperkerntemperatur unabhängig von der Ernährung aufrechterhalten. Darüber hinaus war die Lipid- und Glukoseaufnahme bei EC-SR-B1ko-Mäusen unverändert. Außerdem wurde die Expression von thermogenen Markern und Lipidrezeptoren nicht beeinflusst. Interessanterweise trug die endotheliale SR-B1-Expression wesentlich zur SR-B1-Expression auf Ganzorganebene bei, und zwar nicht nur in der BAT, sondern auch in der WAT, im Quadrizeps und im Herzen. Überraschenderweise stellten wir bei der Durchführung einer HDL-Umsatzstudie fest, dass EC-SR-B1ko-Mäuse eine verringerte Aufnahme von CE in BAT, Herz und Lunge aufwiesen. In zukünftigen Studien muss die Bedeutung der durch SR-B1 vermittelten CE-Aufnahme in BAT-Endothelzellen untersucht werden.

Insgesamt zeigen wir, dass die Bedeutung von CD36 für die adaptive Thermogenese und die Lipidaufnahme von seiner Expression durch thermogene Adipozyten, nicht aber durch Endothelzellen abhängt. Schließlich ist endotheliales SR-B1 für die Thermogenese und die Lipidaufnahme in der BAT nicht erforderlich, vermittelt aber die Cholesterylester-Aufnahme in der BAT.